JP2014102485A - Optical element for led, and led illumination device - Google Patents

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英司 野村
Mitsuru Mimori
満 三森
Yuki Ono
雄樹 小野
Kiyono Tateyama
清乃 立山
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an optical element that is thin, increases the light utilization efficiency while suppressing the heat deformation, and can reduce the color unevenness, and to provide a low-height LED illumination device using the optical element.SOLUTION: Light emitted from a yellow phosphor 2d of an LED 2 comes from an incidence plane 1a as shown by a solid line, then comes to an outgoing surface 1b, is totally reflected on it, and goes to a bottom surface 1d side. The reflected light is reflected on an outward surface 1go of a recess 1 g, and goes via a flange surface 1f or the outgoing surface 1b. Thus, the light utilization efficiency can be increased and the color unevenness can be suppressed.

Description

本発明は、比較的大面積の面部材の背面側に設置され、前記面部材を介して光が通過するように照明を行うLED用光学素子及びLED照明装置に関する。   The present invention relates to an LED optical element and an LED illumination device that are installed on the back side of a relatively large area surface member and perform illumination so that light passes through the surface member.

従来の大型の液晶ディスプレイ装置では、液晶パネル背面に配置された多数の冷陰極管からの光を拡散板や反射板等を介して、液晶パネルの背面側に導光し、バックライトとして均一に照明することで明瞭に画像が視認できるようにしていた。これに対し近年では、省エネの観点から、バックライトの光源としてLEDが使用されるようになってきた。また、液晶ディスプレイ装置に表示される画像に応じて明暗を制御することができるという観点からも、LEDは使いやすく、これにより更に液晶ディスプレイ装置の消費電力を下げることができる。   In a conventional large-sized liquid crystal display device, light from a number of cold-cathode tubes arranged on the back side of the liquid crystal panel is guided to the back side of the liquid crystal panel via a diffusion plate, a reflector, etc., and is uniformly used as a backlight. By illuminating, the image was clearly visible. On the other hand, in recent years, an LED has been used as a light source of a backlight from the viewpoint of energy saving. Further, from the viewpoint that brightness and darkness can be controlled in accordance with an image displayed on the liquid crystal display device, the LED is easy to use, thereby further reducing the power consumption of the liquid crystal display device.

このように液晶ディスプレイ装置のバックライトとしてLEDを用いる場合、LEDのチップ自体が小さいため、かかるチップを液晶パネルの背面側に直接配置しようとすると、均一な照度を確保するためには、無数のチップが必要になって現実的でない。そこで、LEDから放出された光を均一照度の照明光に変換する光学素子が必要になる。特許文献1〜3には、LEDからの光を入射してなるべく均一照度な照明光に変換することができる、液晶用バックライト用の光学素子が開示されている。   As described above, when LEDs are used as the backlight of the liquid crystal display device, the LED chip itself is small. Therefore, when such a chip is arranged directly on the back side of the liquid crystal panel, in order to ensure uniform illuminance, countless It is not realistic to need a tip. Therefore, an optical element that converts light emitted from the LED into illumination light with uniform illuminance is necessary. Patent Documents 1 to 3 disclose an optical element for a backlight for liquid crystal that can convert light from an LED into illumination light with as uniform illuminance as possible.

特開2011-23204号公報JP 2011-23204 特開2008-305923号公報JP 2008-305923 A 特開2009-43628号公報JP 2009-43628

ところで、液晶パネルで表示される画像を自然な色で発色させるために、白色光を発光させるLEDが用いられる。このように白色光を発光させるLEDとしては、現在のところ、青色光を出射する青色LEDチップと、青色LEDチップから出射された青色光によって黄色光を出射する蛍光体を組み合わせたものが広く用いられている。   Incidentally, an LED that emits white light is used to develop an image displayed on the liquid crystal panel with a natural color. As such an LED that emits white light, a combination of a blue LED chip that emits blue light and a phosphor that emits yellow light by blue light emitted from the blue LED chip is widely used at present. It has been.

しかるに、青色LEDチップと蛍光体とを用いた白色LEDの特性として、チップと蛍光体の面積差のほか、蛍光体を通過した白色光において倍率色収差や、蛍光体の厚さの不均一等によって発生する光軸を中心としたイエローリングと呼ばれる色ムラが生じる恐れがあり、このような色ムラが生じた白色光を液晶パネルの背面に照射すると、液晶パネルに表示される画像の自然な発色を損なう恐れがある。   However, the characteristics of a white LED using a blue LED chip and a phosphor include not only the area difference between the chip and the phosphor, but also the lateral chromatic aberration and non-uniformity of the phosphor thickness in white light that has passed through the phosphor. There is a risk of color unevenness called yellow ring centering on the generated optical axis, and when white light with such color unevenness is irradiated on the back of the liquid crystal panel, natural color development of the image displayed on the liquid crystal panel There is a risk of damage.

加えて近年では、大型の液晶ディスプレイ装置用のバックライトにおいて、コストを抑えるために、LEDチップの1台あたりの使用個数を減少させることが望まれている。このようにLEDチップの数を減らした場合、LEDチップの1台あたりの光量を増大(ハイパワー化という)する必要が出てくる。さらに、LEDから出射された光をより広範囲に広げるために、光学素子にはより広範な配光特性(高配光という)を有することが望まれる。   In addition, in recent years, it has been desired to reduce the number of LED chips used per unit in order to reduce the cost of backlights for large liquid crystal display devices. When the number of LED chips is reduced in this way, it becomes necessary to increase the amount of light per LED chip (referred to as high power). Furthermore, in order to spread the light emitted from the LED over a wider range, it is desirable that the optical element has a wider range of light distribution characteristics (referred to as high light distribution).

LEDチップをハイパワー化すると、それに伴って発熱量も高くなり、光学素子の熱変形という問題点が生じてくる。耐熱性の高いガラスを光学素子に使用することもできるが、コスト高を招くため、耐熱性の高い樹脂であるポリカーボネートを使用する場合がある。ポリカーボネートは屈折率が高いため、LEDから出射された光は光学素子の出射面で全反射しやすく、出射面で全反射した光は光学素子内部で多重反射し、液晶パネル方向に向かう光が発生して色ムラが生じる恐れがある。特に、青色LEDチップから出射する光の放射角よりも蛍光体から出射する光の放射角の方が広いため、蛍光体から出射する光の方が光学素子の出射面で全反射しやすく、その結果、色ムラがより発生しやすくなる。   When the power of the LED chip is increased, the amount of heat generated increases accordingly, which causes a problem of thermal deformation of the optical element. Although glass with high heat resistance can be used for the optical element, polycarbonate may be used which is a resin with high heat resistance because of high cost. Since polycarbonate has a high refractive index, the light emitted from the LED is easy to be totally reflected on the exit surface of the optical element, and the light totally reflected on the exit surface is multiple-reflected inside the optical element to generate light directed toward the liquid crystal panel. Color unevenness may occur. In particular, since the emission angle of the light emitted from the phosphor is wider than the emission angle of the light emitted from the blue LED chip, the light emitted from the phosphor is more likely to be totally reflected on the emission surface of the optical element. As a result, color unevenness is more likely to occur.

また、光学素子を高配光とするためには、光学素子の出射面の曲率(C=1/R)を大きくする方法があるが、光学素子の出射面に対してLEDから出射された光の入射角が大きくなるため全反射する確率が増え、色ムラが生じやすい。   In addition, in order to increase the light distribution of the optical element, there is a method of increasing the curvature (C = 1 / R) of the emission surface of the optical element. Since the incident angle increases, the probability of total reflection increases and color unevenness tends to occur.

これに対し、特許文献1の技術によれば、光学素子の光出射面で反射した光を、底面に設けた楔形の複数の凹部で反射させて光軸から離れる方向に出射することができる。しかしながら、半径方向内側にある楔形の凹部で反射した光は、それより半径方向外側にある楔形の凹部に入射することで、液晶パネル方向に向かう光が発生して色ムラとなる恐れがあり、本願発明のような色ムラを解決することはできない。さらに、楔形の複数の凹部で反射させた光を出射光として用いることができないため、本願発明のような光の利用効率を高くすることができない。   On the other hand, according to the technique of Patent Document 1, light reflected by the light emitting surface of the optical element can be reflected by a plurality of wedge-shaped concave portions provided on the bottom surface and emitted in a direction away from the optical axis. However, the light reflected by the wedge-shaped recess on the radially inner side is incident on the wedge-shaped recess on the outer side in the radial direction, so that light traveling toward the liquid crystal panel may be generated and color unevenness may occur. The color unevenness as in the present invention cannot be solved. Furthermore, since the light reflected by the plurality of wedge-shaped recesses cannot be used as the emitted light, the light utilization efficiency as in the present invention cannot be increased.

次に、特許文献2の技術によれば、光学素子の内面反射した光を、半径方向外側にある反射面で反射させて光軸から離れる方向に出射することができる。しかしながら、特許文献2の反射面は、光学素子の入射面側を光軸中心に突出して形成したものであり、凸状になっている。そのため厚さが通常より厚い特注のLEDを用いざるをえず、コスト高を招く。これに対し、より薄い汎用のLEDを用いると、反射面が基板と接触してしまうので、反射面形状を変更しなくてはならず、反射光の向きが限定されるという問題がある。また、特許文献2では反射面を光軸方向と周辺方向に対して厚くする形状で設計している。そしてレンズ中心の光軸付近においては、出射面、入射面によって構成される厚みが最薄部となっている。これらレンズ構成により、レンズの中心と周辺で偏肉比が悪くなるため、レンズの成形が非常に困難になる。更に特許文献2では、凸状の反射面が光軸から外側に向かって厚くなる形状のため、仮に反射面を内側に持ってきた場合最外周部はレンズ厚みが更に増して薄型化するのが困難になってしまう。つまり引用文献2の技術では反射面の配置について設計自由度が少ないことがわかる。また仮に周辺に向かって厚みが一定になるような形状にしたとしてもレンズの全体の体積を増やすことになり成形性が悪化する。更に、レンズの体積を抑えるために周辺に向かって厚みが薄くなるように設計しようとすると、今度は反射面の一部が光軸方向に向いてしまい、反射面で複数回、反射して光軸方向に進む光が発生してしまい、色ムラなく設計を行うのが非常に困難となる。つまり反射面を凸状の形状とするには種々の問題点が有ることがわかる。   Next, according to the technique of Patent Document 2, the light reflected from the inner surface of the optical element can be reflected by the reflecting surface on the radially outer side and emitted in a direction away from the optical axis. However, the reflecting surface of Patent Document 2 is formed by protruding the incident surface side of the optical element from the center of the optical axis, and has a convex shape. Therefore, a custom-made LED having a thickness larger than usual must be used, resulting in high cost. On the other hand, when a thinner general-purpose LED is used, the reflecting surface comes into contact with the substrate, so that the shape of the reflecting surface must be changed, and there is a problem that the direction of reflected light is limited. In Patent Document 2, the reflecting surface is designed to be thicker than the optical axis direction and the peripheral direction. In the vicinity of the optical axis at the center of the lens, the thickness constituted by the exit surface and the entrance surface is the thinnest part. With these lens configurations, the thickness deviation ratio is deteriorated between the center and the periphery of the lens, which makes it very difficult to mold the lens. Further, in Patent Document 2, since the convex reflection surface is thickened from the optical axis toward the outside, if the reflection surface is brought inward, the outermost peripheral portion is further thinned by increasing the lens thickness. It becomes difficult. That is, it can be seen that the technique of the cited document 2 has a small degree of design freedom with respect to the arrangement of the reflecting surfaces. Further, even if the thickness is constant toward the periphery, the entire volume of the lens is increased and the moldability is deteriorated. Furthermore, when trying to design the lens so that its thickness decreases toward the periphery in order to reduce the volume of the lens, this time, a part of the reflecting surface is directed in the direction of the optical axis and is reflected several times on the reflecting surface. Light traveling in the axial direction is generated, making it very difficult to design without color unevenness. That is, it can be seen that there are various problems in making the reflecting surface convex.

加えて、特許文献2では、光学素子を支持する為LED上に光学素子を直接当接させているので、LEDチップをハイパワー化すると大量の熱が光学素子に伝わって、光学素子の熱変形等を生じさせる恐れがある。   In addition, in Patent Document 2, since the optical element is directly abutted on the LED to support the optical element, a large amount of heat is transferred to the optical element when the power of the LED chip is increased, and the optical element is thermally deformed. Etc. may occur.

更に、特許文献3の技術によれば、光学素子の光出射面で反射した光を、底面に設けた光軸直交方向断面が直角三角形である光散乱部により反射させている。しかしながら、光散乱部を設けることで色ムラはある程度改善できるものの、特許文献3のような光散乱部の反射面が平面である構造では積極的に色ムラの制御を行うことは困難である。   Further, according to the technique of Patent Document 3, the light reflected by the light emitting surface of the optical element is reflected by the light scattering portion provided on the bottom surface and having a right-angle triangular cross section in the optical axis orthogonal direction. However, although the color unevenness can be improved to some extent by providing the light scattering portion, it is difficult to positively control the color unevenness in a structure in which the reflection surface of the light scattering portion is a flat surface as in Patent Document 3.

更に、LEDから出射された光が光入射面を通過したあと、光散乱部に直接、入射した場合、それらの光は光出射面方向に向かう場合がある。つまり特許文献3のように、入射面と底面の交点と、外周面の出射面側の縁と、を結んだ線よりも、光散乱部の頂点が出射側にあるように構成されている場合、光源からほぼ真横に出射される80〜90°の光は光入射面を通過したあと、光散乱部の斜面部を介して光出射面方向に向かう光となり、その結果、迷光となって色ムラの原因になるといった問題が生じる。   Furthermore, when the light emitted from the LED passes through the light incident surface and then directly enters the light scattering portion, the light may be directed toward the light emission surface. In other words, as in Patent Document 3, when the vertex of the light scattering portion is on the exit side rather than the line connecting the intersection of the entrance surface and the bottom surface and the edge of the outer peripheral surface on the exit surface side The light of 80 to 90 ° emitted almost directly from the light source passes through the light incident surface, and then becomes light directed toward the light emitting surface through the inclined surface of the light scattering portion, resulting in stray light. The problem of causing unevenness occurs.

更に、いずれの特許文献でも、光学素子の光出射面で反射する光は、LEDの中心から出射した光を想定しているが、本発明者の研究結果によれば、LEDの蛍光体から出射した光が、光学素子の出射面で反射することで色ムラをより発生しやすくすることがわかっており、その対策については、いずれの特許文献にも記載されていない。   Furthermore, in any of the patent documents, the light reflected by the light emitting surface of the optical element is assumed to be light emitted from the center of the LED. According to the research results of the present inventors, the light is emitted from the phosphor of the LED. It has been found that the reflected light is more likely to cause color unevenness when reflected by the exit surface of the optical element, and no countermeasure is described in any patent document.

本発明は、かかる従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、薄型であり、熱変形を抑制しつつも、光の利用効率を高め色ムラの改善を実現できる光学素子及びそれを用いた低背のLED照明装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the problems of the prior art, and is an optical element that is thin and capable of improving light use efficiency and improving color unevenness while suppressing thermal deformation and uses the same. An object of the present invention is to provide a low-profile LED lighting device.

請求項1に記載の光学素子は、LEDの光放出面側に前記LEDに非接触の状態で配置され、前記LEDから出射された光が入射する光学素子であって、前記LEDから出射された光が入射する入射面と、前記入射面から入射した光を出射する出射面と、前記入射面の光軸直交方向で外側に配置された底面と、前記底面の縁と繋がる外周面とを有し、前記底面には、くぼんだ単一の凹部が設けられ、前記凹部は曲率を持ち連続した面からなり、前記凹部の頂点は、光軸直交方向からみたとき、前記入射面と底面の交点と、前記外周面の出射面側の縁と、を結んだ線よりも、前記底面側に設けられていることを特徴とする。   The optical element according to claim 1 is an optical element that is disposed in a non-contact state on the light emitting surface side of the LED, and in which light emitted from the LED is incident, and is emitted from the LED. A light incident surface; a light exit surface that emits light incident from the light incident surface; a bottom surface disposed outside in a direction orthogonal to the optical axis of the light incident surface; and an outer peripheral surface connected to an edge of the bottom surface. The bottom surface is provided with a single concave recess, and the recess comprises a continuous surface having a curvature, and the vertex of the recess is the intersection of the incident surface and the bottom surface when viewed from the direction perpendicular to the optical axis. And a line connecting the edges of the outer peripheral surface on the light exit surface side.

本発明によれば、前記LEDに対して非接触であるから、前記LEDをハイパワー化しても前記光学素子への伝熱を極力抑制できる。また、前記凹部が曲率を持ち連続した面からなるので、特に前記LEDの蛍光体から出射される光が、前記光学素子の出射面で反射した際に、かかる反射光を比較的広い前記凹部の曲面で反射させ、制御した方向に出射することができ、これにより光の利用効率を高めることができ、もって色ムラを抑制できる。又、前記凹部は単一であるので、前記凹部の面で反射した光を、遮ることなく前記光学素子の外部へと有効に出射させることができる。更に、前記凹部が、前記LEDの光放出面より前記出射面側にくぼんでいるので、前記光学素子を薄型化することができる。そして凹部の頂点が光軸直交方向からみたとき、前記入射面と底面の交点と、前記外周面の出射面側の縁と、を結んだ線よりも、前記底面側に設けられているので、LEDから80〜90°とほぼ真横に出射し入射面で屈折した光が凹部よりも出射面側を通るため、凹部で反射して迷光となり色ムラとなるのを抑えることができる、低背のLED照明装置を提供できる。   According to this invention, since it is non-contact with respect to said LED, even if it makes high power of said LED, the heat transfer to the said optical element can be suppressed as much as possible. Further, since the concave portion is formed of a continuous surface having a curvature, particularly when light emitted from the phosphor of the LED is reflected by the emission surface of the optical element, the reflected light is reflected on the relatively wide concave portion. The light can be reflected by a curved surface and emitted in a controlled direction, whereby the light use efficiency can be increased and color unevenness can be suppressed. Further, since the concave portion is single, the light reflected by the surface of the concave portion can be effectively emitted to the outside of the optical element without being blocked. Furthermore, since the concave portion is recessed from the light emitting surface of the LED toward the emitting surface, the optical element can be made thin. And when the vertex of the recess is viewed from the direction orthogonal to the optical axis, it is provided on the bottom surface side than the line connecting the intersection of the incident surface and the bottom surface and the edge on the exit surface side of the outer peripheral surface, The light emitted from the LED at 80-90 ° almost right side and refracted at the entrance surface passes through the exit surface side of the recess, so that it can be prevented from being reflected at the recess and becoming stray light and uneven color. An LED lighting device can be provided.

ここで、入射面とはLEDから出射された光が入射する面ではあるが、1面にかぎらず光軸に対して外側に複数面あってもよい。この場合の入射面とは複数面を含む概念であり、入射面のもっとも外周部は底面と接する位置である。更に出射面とは入射面から入射した光を出射する出射面であるが、複数の面を有していてもよい。また底面とは、LEDから出射された光に対して光軸直交方向で前記LEDの光放出面より前記出射面から遠ざかって配置された面ではあるが、レンズを支える複数の脚部などを有してもよい。また外周面とは、光学素子の最外周部に位置しており、直接、出射面と繋がっていても良いし、その間につなぎ面を有しても良いし、底面との間につなぎ面を有してもよい。これら外周面(つなぎ面含む)は光軸方向に対して交差するような角度を持って設けられていてもよい。このように角度を持っている場合、積極的に外周面に入光した光を利用して光量を増やすこともできる。これらの場合、つなぎ面をフランジとして用いても良い。さらに外周面は鏡面にして光学面として用いても良く、その場合曲率をもっていても良い。好ましくは抜きテーパーのために0〜3°の角度がついていても良い。また単一の凹部とは、光学素子の光軸方向における断面において、入射面を中心として左右に1つずつ(計2つ)存在する底面に、それぞれ一つだけ(断面において計2つ)凹部が存在していることを言う。また入射面側から底面を光軸方向に見た場合、ドーナッツ状に凹みが設けられている事を言う。更に凹部の頂点とは、光軸方向において凹部の面のうち最も出射面側となる点のことをいい、レンズを入射面から見た場合では凹部のなかで、一番深い点で構成される円形状の部位である。   Here, the incident surface is a surface on which light emitted from the LED is incident. However, the incident surface is not limited to one surface, and there may be a plurality of surfaces outside the optical axis. The incident surface in this case is a concept including a plurality of surfaces, and the outermost peripheral portion of the incident surface is a position in contact with the bottom surface. Furthermore, the exit surface is an exit surface that emits light incident from the entrance surface, but may have a plurality of surfaces. The bottom surface is a surface that is disposed away from the light emitting surface of the LED in a direction orthogonal to the light axis with respect to the light emitted from the LED, but has a plurality of legs that support the lens. May be. Further, the outer peripheral surface is located at the outermost peripheral portion of the optical element, and may be directly connected to the emission surface, or may have a connecting surface therebetween, or a connecting surface between the bottom surface. You may have. These outer peripheral surfaces (including the connecting surface) may be provided with an angle that intersects the optical axis direction. In the case of having an angle in this way, the amount of light can be increased by using the light positively incident on the outer peripheral surface. In these cases, the connecting surface may be used as a flange. Further, the outer peripheral surface may be a mirror surface and used as an optical surface, in which case it may have a curvature. Preferably, an angle of 0 to 3 ° may be provided for the taper. In addition, a single concave portion is a single concave portion (two in total in the cross section) in each of the bottom surfaces that exist one by one on the left and right with respect to the incident surface (two in total) in the cross section in the optical axis direction of the optical element. Say that exists. In addition, when the bottom surface is viewed from the incident surface side in the optical axis direction, it means that a dent is provided in a donut shape. Furthermore, the apex of the recess means the point that is closest to the exit surface of the surface of the recess in the optical axis direction, and is constituted by the deepest point in the recess when the lens is viewed from the entrance surface. It is a circular part.

請求項2に記載の光学素子は、請求項1に記載の発明において、前記凹部は非球面形状を有することを特徴とする。   An optical element according to a second aspect is characterized in that, in the invention according to the first aspect, the concave portion has an aspherical shape.

前記凹部が非球面形状を有していると、前記光学素子の入射面で反射した光を、より高精度に、制御した方向に出射することができ、色ムラを抑制できる。   When the concave portion has an aspherical shape, the light reflected by the incident surface of the optical element can be emitted in a controlled direction with higher accuracy, and color unevenness can be suppressed.

請求項3に記載の光学素子は、請求項1又は2に記載の発明において、前記凹部の光軸直交方向の幅は、前記光学素子の半径の10%以上であって、50%以下であることを特徴とする。   The optical element according to claim 3 is the invention according to claim 1 or 2, wherein the width of the concave portion in the direction perpendicular to the optical axis is not less than 10% and not more than 50% of the radius of the optical element. It is characterized by that.

これにより、前記凹部で反射できる光の量を増大させて、光の利用効率を高めることができるとともに、光学素子を安定して固定できる。   Accordingly, the amount of light that can be reflected by the concave portion can be increased, the light use efficiency can be increased, and the optical element can be stably fixed.

請求項4に記載の光学素子は、請求項1〜3のいずれかに記載の発明において、前記光学素子の光軸方向断面において、前記凹部の頂点から前記入射面側の凹部の面の長さは、前記凹部の頂点から前記外周面側の凹部の面の長さより短いことを特徴とする。   According to a fourth aspect of the present invention, in the invention according to any one of the first to third aspects, the length of the concave surface on the incident surface side from the apex of the concave portion in the cross section in the optical axis direction of the optical element. Is shorter than the length of the concave portion on the outer peripheral surface side from the apex of the concave portion.

これにより、前記凹部の光軸直交方向外向き面で反射できる光の量を増大させて、光の利用効率を高めることができる。   As a result, the amount of light that can be reflected by the outward surface in the direction orthogonal to the optical axis of the recess can be increased, and the light use efficiency can be increased.

請求項5に記載の光学素子は、請求項1〜4のいずれかに記載の発明において、前記LEDから出射され前記光学素子の入射面から入射した光のうち、前記凹部の光軸直交方向外向き面で反射する光は、光軸直交方向より前記出射面側に向かうことを特徴とする。   An optical element according to a fifth aspect is the invention according to any one of the first to fourth aspects, wherein out of the light emitted from the LED and incident from the incident surface of the optical element, the optical axis of the concave portion is outside the orthogonal direction. The light reflected by the orientation surface is directed to the emission surface side from the direction orthogonal to the optical axis.

これにより、高配光を実現できるとともに、前記凹部の光軸直交方向外向き面で反射した光を用いて、色ムラを抑制することができる。また、前記凹部の光軸直交方向内向き面で反射した光を用いて、色ムラ抑制制御を行うこともできる。   Thereby, while being able to implement | achieve high light distribution, color irregularity can be suppressed using the light reflected on the optical axis orthogonal direction outward surface of the said recessed part. Further, color unevenness suppression control can be performed using light reflected by the inward surface in the direction orthogonal to the optical axis of the concave portion.

請求項6に記載の光学素子は、請求項1〜5のいずれかに記載の発明において、前記LEDから出射され前記光学素子の入射面から入射した光のうち、前記凹部の光軸直交方向外向き面で反射する光は、前記光学素子の前記外周面を通過することを特徴とする。   An optical element according to a sixth aspect is the invention according to any one of the first to fifth aspects, wherein out of the light emitted from the LED and incident from the incident surface of the optical element, the optical axis of the concave portion is outside the orthogonal direction. The light reflected by the orientation surface passes through the outer peripheral surface of the optical element.

前記外周面を通過した光を用いて、色ムラを抑制する制御を行うことができる。なお、外周面にはLEDから出射された光が光学素子の入射面に入射した後、光学素子の出射面を通過せず、外周面を通過することもある。   Control that suppresses color unevenness can be performed using light that has passed through the outer peripheral surface. In addition, after the light radiate | emitted from LED entered into the entrance plane of an optical element on the outer peripheral surface, it may pass through an outer peripheral surface without passing through the output surface of an optical element.

請求項7に記載の光学素子は、請求項1〜6のいずれかに記載の発明において、光軸方向断面において前記外周面の出射面側の縁からなる点をAと、前記外周面の出射面側の縁からなる点から、底面に向かって光軸と平行に伸ばした時に底面又はその延長面と交差する点をBとし、前記点Aと前記点Bを結んだ線分をhとした場合であって、前記凹部の頂点は、光軸直交方向からみたとき、h/2に該当する点と、前記入射面と底面の交点と、を結んだ線よりも前記底面側に設けられていることを特徴とする。   An optical element according to a seventh aspect is the invention according to any one of the first to sixth aspects, wherein A is a point formed by an edge of the outer peripheral surface on the output surface side in the optical axis direction cross section, and the outer surface is output. A point that intersects the bottom surface or its extended surface when extending in parallel to the optical axis from the point consisting of the edge on the surface side to B is defined as B, and a line segment connecting the point A and the point B is defined as h. In this case, the apex of the recess is provided on the bottom side of a line connecting the point corresponding to h / 2 and the intersection of the incident surface and the bottom surface when viewed from the direction orthogonal to the optical axis. It is characterized by being.

これにより、前記出射面から出射された光で、光学素子の出射面を通過する光を前記凹部で直接反射することが抑制され、かつ一部の出射面から直接外周面に入光することが可能となるため、外周面で屈折した光も光源として利用でき、更に光の利用効率を高めることができる。   As a result, the light emitted from the emission surface can be prevented from directly reflecting the light passing through the emission surface of the optical element at the concave portion, and can enter the outer peripheral surface directly from a part of the emission surface. Therefore, the light refracted on the outer peripheral surface can be used as a light source, and the light use efficiency can be further improved.

請求項8に記載の光学素子は、請求項1〜7のいずれかに記載の発明において、前記光学素子は、アクリル又はポリカーボネートから形成されていることを特徴とする。   An optical element according to an eighth aspect is the invention according to any one of the first to seventh aspects, wherein the optical element is made of acrylic or polycarbonate.

アクリル又はポリカーボネートは光透過性に優れる。特に、ポリカーボネートは耐熱性に優れ、高屈折率であるため、特に本発明に効果がある。   Acrylic or polycarbonate is excellent in light transmittance. In particular, polycarbonate is particularly effective in the present invention because it is excellent in heat resistance and has a high refractive index.

請求項9に記載のLED照明装置は、LEDと、前記LEDの光放出面側に該LEDに非接触の状態で配置され、前記LEDから出射された光が入射する光学素子とを有するLED照明装置であって、前記LEDは、第1の色の光を出射するLEDチップと、前記LEDチップから出射された前記第1の色の光によって前記第1の色とは異なる第2の色を出射する蛍光体を有し、前記光学素子は、前記LEDから出射された光が入射する入射面と、前記入射面から入射した光を出射する出射面と、前記LEDから出射された光の光軸に対して光軸直交方向で前記LEDの光放出面より前記出射面から遠ざかって配置された底面と、前記底面の縁と繋がる外周面と、を有し、前記底面には、前記LEDの光放出面より前記出射面側にくぼんだ単一の凹部が設けられており、前記凹部は曲率を持ち連続した面からなり、前記凹部の頂点は、光軸直交方向からみたとき、前記入射面と底面の交点と、前記外周面の出射面側の縁と、を結んだ線よりも、前記底面側に設けられており、前記蛍光体から出射した光は、前記入射面から入射して前記出射面で反射した後、前記凹部で反射することを特徴とする。   The LED illumination device according to claim 9, comprising: an LED; and an optical element that is disposed on the light emission surface side of the LED in a non-contact state with the LED and into which the light emitted from the LED is incident. The LED may be an LED chip that emits light of a first color and a second color different from the first color by the light of the first color emitted from the LED chip. The optical element includes an incident surface on which light emitted from the LED is incident, an emission surface that emits light incident from the incident surface, and light of the light emitted from the LED. A bottom surface disposed away from the light emitting surface of the LED in a direction perpendicular to the optical axis with respect to the axis, and an outer peripheral surface connected to an edge of the bottom surface. A single unit recessed from the light emitting surface to the emitting surface side. The concave portion is formed of a continuous surface having a curvature, and the apex of the concave portion, when viewed from the direction perpendicular to the optical axis, is the intersection of the incident surface and the bottom surface, and the exit surface side of the outer peripheral surface. The light emitted from the phosphor is incident on the incident surface and reflected by the exit surface, and then reflected by the recess. It is characterized by.

本発明によれば、前記LEDに対して非接触であるから、前記LEDをハイパワー化しても前記光学素子への伝熱を極力抑制できる。また、前記凹部が曲率を持ち連続した面からなるので、特に前記LEDの蛍光体から出射した光が、前記光学素子の出射面で反射した際に、かかる反射光を比較的広い前記凹部の曲面で反射させ、制御した方向に出射することができ、これにより光の利用効率を高めることができ、もって色ムラを抑制できる。又、前記凹部は単一であるので、前記凹部の面で反射した光を、遮ることなく前記光学素子の外部へと有効に出射させることができる。更に、前記凹部が、前記LEDより前記出射面側にくぼんでいるので、前記光学素子を薄型化することができる。そして凹部を光軸直交方向からみたとき、前記入射面と底面の交点と、前記外周面の出射面側の縁と、を結んだ線よりも、前記底面側に設けられているので、LEDから80〜90°とほぼ真横に出射し入射面で屈折した光が凹部よりも出射面側の通るため凹部で反射して迷光となり色ムラとなるのを抑えることができる低背のLED照明装置を提供できる。   According to this invention, since it is non-contact with respect to said LED, even if it makes high power of said LED, the heat transfer to the said optical element can be suppressed as much as possible. In addition, since the concave portion is formed of a continuous surface having a curvature, particularly when the light emitted from the phosphor of the LED is reflected by the emission surface of the optical element, the reflected light is relatively wide. Can be reflected and emitted in a controlled direction, whereby the light utilization efficiency can be increased and color unevenness can be suppressed. Further, since the concave portion is single, the light reflected by the surface of the concave portion can be effectively emitted to the outside of the optical element without being blocked. Furthermore, since the concave portion is recessed toward the emission surface side from the LED, the optical element can be thinned. And when the recess is viewed from the direction orthogonal to the optical axis, it is provided on the bottom side rather than the line connecting the intersection of the incident surface and the bottom surface and the edge on the exit surface side of the outer peripheral surface. A low-profile LED illuminating device that can suppress light that has been radiated at an angle of 80 to 90 ° and refracted at the incident surface on the exit surface side from the concave portion so that it is reflected by the concave portion and becomes stray light to cause uneven color. Can be provided.

本発明に係るLED(Light Emitting Diode)照明装置は、LEDと、光学素子と、を有するものである。   The LED (Light Emitting Diode) illumination device according to the present invention includes an LED and an optical element.

LEDとしては、様々なものを用いることが出来るが、光放出面がフラットな形状を有し、更に白色光を出射する白色LEDを用いることが好ましい。   Various LEDs can be used, but it is preferable to use a white LED that has a flat light emission surface and emits white light.

白色LEDとしては、青色LEDチップと青色LEDチップから出射される青色光によって黄色光を出射するYAG蛍光体等の蛍光体を組み合わせたものが好ましく用いられる。白色LEDとしては、例えば特開2008−231218号公報に記載されたものを用いることができるが、これに限られない。   As the white LED, a combination of a blue LED chip and a phosphor such as a YAG phosphor that emits yellow light by blue light emitted from the blue LED chip is preferably used. As white LED, what was described, for example in Unexamined-Japanese-Patent No. 2008-231218 can be used, However, It is not restricted to this.

白色LEDは、具体的には、LEDチップと、LEDチップを覆うようにしてその上に形成された蛍光体層から構成されている。LEDチップは、第1の所定波長の光(第1の色の光)を出射するものであり、本実施の形態においては青色光を出射するようになっている。但し、本発明のLEDチップから出射される光の波長、及び、蛍光体から出射される光の波長は限定されず、LEDチップから出射される光と蛍光体から出射される光とで混色された光が、白色光となる組合せであればものであれば、使用可能である。   Specifically, the white LED includes an LED chip and a phosphor layer formed on the LED chip so as to cover the LED chip. The LED chip emits light of a first predetermined wavelength (light of the first color), and emits blue light in the present embodiment. However, the wavelength of the light emitted from the LED chip of the present invention and the wavelength of the light emitted from the phosphor are not limited, and the light emitted from the LED chip and the light emitted from the phosphor are mixed. As long as the light is a combination of white light, it can be used.

なお、このようなLEDチップとしては、公知の青色LEDチップを用いることができる。青色LEDチップとしては、InxGa1-xN系をはじめ既存のあらゆるものを使用することができる。青色LEDチップの発光ピーク波長は440〜480nmのものが好ましい。また、LEDチップの形態としては、基板上にLEDチップを実装し、そのまま上方または側方に放射させるタイプ、又は、サファイア基板などの透明基板上に青色LEDチップを実装し、その表面にバンプを形成した後、裏返して基板上の電極と接続する、いわゆるフリップチップ接続タイプなど、どのような形態のLEDチップでも適用することが可能である。   In addition, as such an LED chip, a well-known blue LED chip can be used. As the blue LED chip, any existing one including InxGa1-xN can be used. The emission peak wavelength of the blue LED chip is preferably 440 to 480 nm. In addition, as a form of the LED chip, the LED chip is mounted on the substrate and directly radiated upward or sideward, or the blue LED chip is mounted on a transparent substrate such as a sapphire substrate, and bumps are formed on the surface thereof. Any form of LED chip, such as a so-called flip chip connection type, in which it is formed and turned over and connected to an electrode on a substrate, can be applied.

蛍光体層は、LEDチップから出射される第1の所定波長の光を第2の所定波長の光(第2の色の光)に変換する蛍光体を有している。後述する実施の形態では、LEDチップから出射される青色光を黄色光に変換するようになっている。   The phosphor layer includes a phosphor that converts light having a first predetermined wavelength emitted from the LED chip into light having a second predetermined wavelength (light of a second color). In an embodiment described later, blue light emitted from the LED chip is converted into yellow light.

このような蛍光体層に用いられる蛍光体は、Y、Gd、Ce、Sm、Al、La及びGaの原料として酸化物、又は高温で容易に酸化物になる化合物を使用し、それらを化学量論比で十分に混合して原料を得る。又は、Y、Gd、Ce、Smの希土類元素を化学量論比で酸に溶解した溶解液を蓚酸で共沈したものを焼成して得られる共沈酸化物と、酸化アルミニウム、酸化ガリウムとを混合して混合原料を得る。これにフラックスとしてフッ化アンモニウム等のフッ化物を適量混合して加圧し成形体を得る。成形体を坩堝に詰め、空気中1350〜1450℃の温度範囲で2〜5時間焼成して、蛍光体の発光特性を持った焼結体を得ることができる。   The phosphor used for such a phosphor layer uses an oxide or a compound that easily becomes an oxide at a high temperature as a raw material of Y, Gd, Ce, Sm, Al, La and Ga, and converts them into a stoichiometric amount. The raw material is obtained by thoroughly mixing in a theoretical ratio. Alternatively, a coprecipitated oxide obtained by calcining a solution obtained by coprecipitation of oxalic acid with a solution obtained by dissolving a rare earth element of Y, Gd, Ce, and Sm in an acid at a stoichiometric ratio, and aluminum oxide and gallium oxide. Mix to obtain a mixed raw material. An appropriate amount of fluoride such as ammonium fluoride is mixed with this as a flux and pressed to obtain a molded body. The compact can be packed in a crucible and fired in air at a temperature range of 1350 to 1450 ° C. for 2 to 5 hours to obtain a sintered body having the phosphor emission characteristics.

LEDは、高出力LEDであることが好ましい。ここで、高出力LEDとしては、出力が0.5ワット以上のLEDにより構成することができる。   The LED is preferably a high power LED. Here, the high-power LED can be composed of an LED having an output of 0.5 watts or more.

光学素子は、プラスチックで構成されていると好ましい。光学素子を構成するプラスチックとしては、例えばポリカーボネートを用いることで、射出成形により製造でき、製造コストを大幅に低減させることができる。ただし、素材はこれに限られない。   The optical element is preferably made of plastic. As the plastic constituting the optical element, for example, by using polycarbonate, it can be manufactured by injection molding, and the manufacturing cost can be greatly reduced. However, the material is not limited to this.

本発明によれば、薄型であり、熱変形を抑制しつつも、光の利用効率を高め、色ムラの改善を実現できる光学素子及びそれを用いた低背のLED照明装置を提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide an optical element that is thin and suppresses thermal deformation, enhances light utilization efficiency, and can improve color unevenness, and a low-profile LED lighting device using the optical element. it can.

(a)は本実施の形態にかかるLED照明装置の光軸方向断面図である。(b)はLEDを光放出面側から見た図である。(A) is sectional drawing of the optical axis direction of the LED lighting apparatus concerning this Embodiment. (B) is the figure which looked at LED from the light emission surface side. 凹部を設けていない比較例にかかる光学素子の断面図である。It is sectional drawing of the optical element concerning the comparative example which does not provide the recessed part. 凹部を設けた実施例1にかかる光学素子の断面図である。It is sectional drawing of the optical element concerning Example 1 which provided the recessed part. 縦軸に照度をとり、横軸に光軸からの半径をとって示すグラフである。It is a graph which takes illuminance on the vertical axis and takes the radius from the optical axis on the horizontal axis. 実施例1と比較例1にかかる図2,3の光学素子を持つLED照明装置から出射される光線の色の特性を示す図である。It is a figure which shows the characteristic of the color of the light ray radiate | emitted from the LED illuminating device which has an optical element of FIG.2, 3 concerning Example 1 and Comparative Example 1. FIG. 拡散作用を持つ面の一例である微小ピラミッド構造を持つ光学素子の斜視図である。It is a perspective view of the optical element which has a micro pyramid structure which is an example of the surface which has a diffusion effect. 実施例2の光学素子を示す図であり、(a)は出射面側から見た図、(b)は光軸方向VIIB-VIIB断面図、(c)は光軸方向VIIC-VIIC断面図、(d)は底面側から見た図である。FIG. 5 is a diagram illustrating an optical element of Example 2, where (a) is a view seen from the exit surface side, (b) is a cross-sectional view along the optical axis direction VIIB-VIIB, and (c) is a cross-sectional view along the optical axis direction VIIC-VIIC. (D) is the figure seen from the bottom face side. 実施例2のサグ量を示すグラフである。10 is a graph showing the amount of sag in Example 2. 実施例2の光学素子を持つLED照明装置から出射される光線の色の特性を示す図である。It is a figure which shows the characteristic of the color of the light ray radiate | emitted from the LED illuminating device with an optical element of Example 2. FIG. 比較例2の光学素子を持つLED照明装置から出射される光線の色の特性を示す図である。It is a figure which shows the characteristic of the color of the light ray radiate | emitted from the LED lighting apparatus which has an optical element of the comparative example 2. 変形例にかかる光学素子の断面図である。It is sectional drawing of the optical element concerning a modification.

以下、添付した図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。図1(a)は、本実施の形態にかかるLED照明装置の光軸方向断面図である。本実施の形態にかかるLED照明装置は、光学素子1と、回路基板3上に形成されたLED2を有している。図1(b)に示すように、LED2は、青色光を放出する中央のLEDチップ2cと、その光放出側を覆うように設けられた円形の黄色蛍光体2dとを積層してなるフラットな光放出面2aを有している。光放出面2aの周囲は、全体的に矩形状であるヒートシンク2bとなっている。光学素子1はLED2に対して非接触であるから、LED2をハイパワー化しても光学素子1への伝熱を極力抑制できる。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. FIG. 1A is a sectional view in the optical axis direction of the LED lighting device according to the present embodiment. The LED lighting device according to the present embodiment includes an optical element 1 and an LED 2 formed on a circuit board 3. As shown in FIG. 1B, the LED 2 is a flat structure in which a central LED chip 2c that emits blue light and a circular yellow phosphor 2d provided so as to cover the light emitting side are laminated. It has a light emission surface 2a. The periphery of the light emitting surface 2a is a heat sink 2b having a rectangular shape as a whole. Since the optical element 1 is non-contact with the LED 2, heat transfer to the optical element 1 can be suppressed as much as possible even if the LED 2 is made high power.

光学素子1は、プラスチックとしてポリカーボネート又はアクリルを用いて成形により形成されている。さらに、光学素子1は、LED2の光放出側に配置されており、LED2からの発光光が入射する凹状の入射面1aと、入射面1aから入射した光を外部に放出する全体的に凸状の出射面1bと、LED2の光軸直交方向外側で基板3に対向する底面1dと、出射面1bの外周に設けられた円筒面もしくは円錐面である外周面1fとつなぎ面f2を有する。これらフランジ面としての外周面1fとつなぎ面f2は、光学素子1を射出成形する際に、ゲートが設けられる部位である。   The optical element 1 is formed by molding using polycarbonate or acrylic as plastic. Further, the optical element 1 is disposed on the light emitting side of the LED 2, and has a concave incident surface 1a on which light emitted from the LED 2 is incident, and a generally convex shape that emits light incident from the incident surface 1a to the outside. , The bottom surface 1d facing the substrate 3 outside the LED 2 in the direction perpendicular to the optical axis, the outer peripheral surface 1f that is a cylindrical surface or a conical surface provided on the outer periphery of the output surface 1b, and a connecting surface f2. The outer peripheral surface 1 f and the connecting surface f 2 as flange surfaces are portions where a gate is provided when the optical element 1 is injection-molded.

入射面1aは、光軸OAを含む凹状の非球面形状である内側面1a1と、テーパ状の外側面1a2と、それらをつなぐ平面1a3とからなる。出射面1bは、光軸付近が凹状であって、周囲が凸状であるが、全体として凸状でもよい。   The incident surface 1a includes a concave aspherical inner surface 1a1 including the optical axis OA, a tapered outer surface 1a2, and a plane 1a3 connecting them. The exit surface 1b is concave in the vicinity of the optical axis and convex in the periphery, but may be convex as a whole.

底面1dには、LED2より出射面1b側にくぼんだ単一の凹部(ここでは光軸OAを中心とした環状溝)1gが設けられており、凹部1gは曲率を持つ非球面であって連続した面からなる。凹部1gは、頂点Pで光軸方向外向き面1goと内向き面1gnとに分けられており、外向き面1goの幅Aは、内向き面1gnの幅Bより長くなっており、B/Aは0.8以上であると好ましい。更に、光学素子の半径(R)に対する凹部1gの幅(A+B)は、10%以上であって50%以下である。尚、凹部1gは、テーパ状の外側面1a2の縁(底面1dと接する点D)と出射面1bの縁とを結ぶ面TPよりもLED側に存在する。更に、図1の断面において外周面1fの出射面1b側の縁からなる点をAとし、点Aから、底面1dに向かって光軸OAと平行に伸ばした時に底面1dの延長面と交差する点をBとし、点Aと点Bを結んだ線分をhとした場合、凹部1gの頂点Pは、光軸直交方向からみたとき、h/2に該当する点Cと、入射面(外側面1a2)と底面1dの交点Dと、を結んだ線TP’よりも底面1d側に設けられている。   The bottom surface 1d is provided with a single recess (here, an annular groove centered on the optical axis OA) 1g recessed from the LED 2 toward the exit surface 1b. The recess 1g is an aspherical surface having a curvature and is continuous. It consists of the surface. The recess 1g is divided into an optical axis direction outward surface 1go and an inward surface 1gn at the apex P, and the width A of the outward surface 1go is longer than the width B of the inward surface 1gn. A is preferably 0.8 or more. Furthermore, the width (A + B) of the recess 1g with respect to the radius (R) of the optical element is 10% or more and 50% or less. The recess 1g is present on the LED side with respect to the surface TP connecting the edge of the tapered outer surface 1a2 (the point D in contact with the bottom surface 1d) and the edge of the emission surface 1b. Further, in the cross section of FIG. 1, a point formed by the edge of the outer peripheral surface 1f on the emission surface 1b side is A, and when extending from the point A toward the bottom surface 1d in parallel with the optical axis OA, it intersects the extended surface of the bottom surface 1d. Assuming that the point B is the line segment connecting the point A and the point B, the vertex P of the concave portion 1g is the point C corresponding to h / 2 and the incident surface (outside) when viewed from the direction orthogonal to the optical axis. It is provided closer to the bottom surface 1d than the line TP 'connecting the side surface 1a2) and the intersection D of the bottom surface 1d.

平面状の底面1dは、金型の対応する転写面の粗度を高めることで、拡散作用を持つ粗し面(面粗さがRa0.2μm以上のもの)とできる。粗し面以外にシボ加工や粗し加工を施した面、或いは図6に示すような、微小なピラミッド構造を2次元的に並べた形状でも拡散作用を持たせることができる。また、外周面1fも、金型の対応する転写面の粗度を高めることで、拡散作用を持つ粗し面とできる。ただし、凹部1gは鏡面であることが好ましい。一般的に鏡面はRa0.025μm以下をいう。   The planar bottom surface 1d can be a rough surface having a diffusion action (having a surface roughness of Ra 0.2 μm or more) by increasing the roughness of the corresponding transfer surface of the mold. In addition to the roughened surface, a surface subjected to graining or roughening, or a shape in which minute pyramid structures are two-dimensionally arranged as shown in FIG. The outer peripheral surface 1f can also be a roughened surface having a diffusion action by increasing the roughness of the corresponding transfer surface of the mold. However, the recess 1g is preferably a mirror surface. In general, the mirror surface is Ra 0.025 μm or less.

本実施の形態では、底面1dは、周方向に等間隔に3つの脚部1cを有しており、脚部1cを基板3の表面に当接させて取り付けられている。脚部1cを周方向に不連続に配置することで、LED2を密封することが抑制され、LED2の配線の引き出しや通気性、放熱性の確保を行える。脚部1c全体は、底面1dと同様に、金型の対応する転写面の粗度を高めることで、拡散作用を持つ粗し面とできる。なお、本発明は脚部を持つものに限るものではなく、脚部を持たなくても良い。   In the present embodiment, the bottom surface 1 d has three legs 1 c at equal intervals in the circumferential direction, and is attached with the legs 1 c in contact with the surface of the substrate 3. By disposing the legs 1c discontinuously in the circumferential direction, the LED 2 is prevented from being sealed, and the wiring of the LED 2 can be pulled out, air permeability and heat dissipation can be ensured. Like the bottom surface 1d, the entire leg portion 1c can be a rough surface having a diffusion action by increasing the roughness of the corresponding transfer surface of the mold. In addition, this invention is not restricted to what has a leg part, It is not necessary to have a leg part.

本実施の形態では、LED2の黄色蛍光体2dから出射された光は、実線で示すように、入射面1aから入射した後、出射面1bに入射した際に、全反射して底面1d側に向かう。この反射光を、凹部1gの外向き面1goで反射して、フランジ面1fもしくは出射面1bを介して出射するようになっている。これにより、光の利用効率を高め、色ムラを抑制することができる。なお、LED2の黄色蛍光体2dから出射された黄色光に限るものではなく、LEDチップ2cから出射される青色光でもあてはまる。   In the present embodiment, as indicated by the solid line, the light emitted from the yellow phosphor 2d of the LED 2 is totally reflected and incident on the bottom surface 1d side when entering the exit surface 1b after entering from the entrance surface 1a. Head. The reflected light is reflected by the outward surface 1go of the recess 1g and is emitted through the flange surface 1f or the emission surface 1b. Thereby, the utilization efficiency of light can be improved and color unevenness can be suppressed. Note that the present invention is not limited to the yellow light emitted from the yellow phosphor 2d of the LED 2, but also applies to the blue light emitted from the LED chip 2c.

(実施例1)
図2は、凹部を設けていない比較例にかかる光学素子の断面図であり、図3は、凹部を設けた実施例1にかかる光学素子の断面図であり、両者は凹部の有無以外は共通している。図2に示す比較例では、LED2の黄色蛍光体2dから出射され入射面から入射した光は、出射面で反射した後に、底面やフランジ面などで反射を繰り返し、制御されない状態で光学素子の外部に出射する。特に底面と出射面で反射した光線は光軸側に向かうものがあるため、配光が狭くなるという問題がある。これに対し、図3に示す実施例では、LED2の黄色蛍光体2dから出射され入射面から入射した光は、出射面で反射した後に、凹部で反射して、直ちに光学素子の外部へと出射するようになる。これにより光軸側に向かう光が減り、配光を広く確保できる。
Example 1
FIG. 2 is a cross-sectional view of an optical element according to a comparative example in which no concave portion is provided, and FIG. 3 is a cross-sectional view of the optical element according to Example 1 in which a concave portion is provided. doing. In the comparative example shown in FIG. 2, the light emitted from the yellow phosphor 2d of the LED 2 and incident from the incident surface is reflected on the emission surface and then repeatedly reflected on the bottom surface, the flange surface, and the like. To exit. In particular, there is a problem that the light distribution is narrow because some of the rays reflected from the bottom surface and the exit surface are directed toward the optical axis. On the other hand, in the embodiment shown in FIG. 3, the light emitted from the yellow phosphor 2d of the LED 2 and incident from the incident surface is reflected by the emitting surface, then reflected by the concave portion, and immediately emitted to the outside of the optical element. To come. Thereby, the light which goes to the optical axis side reduces, and light distribution can be ensured widely.

図4は、本発明者がシミュレーションで求めたLED照明装置の照度分布であり、縦軸に照度をとり、横軸に光軸からの半径をとって示すグラフであり、凹部を設けていない比較例(図2参照)の特性を実線で示し、凹部を設けた実施例(図3参照)の特性を一点鎖線で示す。図4から明らかなように、凹部を設けない比較例に比べ、本実施例では照度分布が均一に近づいており、凹部を設けることで、配光が広がるとともに光の利用効率が高まることがわかる。   FIG. 4 is a graph showing the illuminance distribution of the LED lighting apparatus obtained by the inventor through simulation. The ordinate represents illuminance, the abscissa represents the radius from the optical axis, and no comparison is provided. The characteristic of an example (refer FIG. 2) is shown as a continuous line, and the characteristic of the Example (refer FIG. 3) which provided the recessed part is shown with a dashed-dotted line. As is clear from FIG. 4, the illumination distribution is more uniform in this example than in the comparative example in which no concave portion is provided, and it can be seen that providing the concave portion increases the light distribution and increases the light use efficiency. .

図5は、本発明者がシミュレーションで求めた、図2,3の光学素子を持つLED照明装置から出射される光の色の特性を示す図であり、図5(a)は比較例1におけるCIE表色系のX軸に関するグラフであり、図5(b)は、比較例1におけるCIE表色系のY軸に関するグラフであり、図5(c)は実施例1におけるCIE表色系のX軸に関するグラフであり、図5(d)は、実施例1におけるCIE表色系のY軸に関するグラフである。   FIG. 5 is a diagram showing the characteristics of the color of light emitted from the LED illumination device having the optical elements of FIGS. 2 and 3, which is obtained by simulation by the present inventor. FIG. 5B is a graph relating to the X axis of the CIE color system, FIG. 5B is a graph relating to the Y axis of the CIE color system in Comparative Example 1, and FIG. 5C is a graph of the CIE color system in Example 1. FIG. 5D is a graph regarding the Y axis of the CIE color system in Example 1. FIG.

図5において、(a)と(c)は縦軸にCIE表色系でのx値、(b)と(d)は縦軸にCIE表色系でy値をとっている。また、(a)から(d)の横軸には光軸を0としたときの被照射面の位置をとって示している。図5のグラフがフラットに近づくほど、被照射面の位置に関わらず出射光の色が均一に近づき、バックライトとしての特性に優れる。   In FIG. 5, (a) and (c) have x values in the CIE color system on the vertical axis, and (b) and (d) have y values in the CIE color system on the vertical axis. In addition, the horizontal axis from (a) to (d) shows the position of the irradiated surface when the optical axis is zero. The closer the graph of FIG. 5 is to flat, the more uniform the color of the emitted light regardless of the position of the irradiated surface, and the better the characteristics as a backlight.

ここで、図5で(a)と(c)、(b)と(d)をそれぞれ比較してみると、(a)と(b)のP−Vはそれぞれ0.11、0.18に対して、(c)と(d)のP−Vはそれぞれ0.08、0.14となっている。これは、出射面で全反射した光を凹部で反射して直ちに外部へと出射させたため、黄色成分が減ったことによるものと考えられる。つまり図5(c)、(d)に示す特性を持つ、図3の実施例にかかる光学素子を用いることで、光軸を中心としたイエローリングと呼ばれる色ムラが抑制されることがわかる。   Here, when comparing (a) and (c) and (b) and (d) in FIG. 5, the PV of (a) and (b) is 0.11 and 0.18, respectively. On the other hand, PV of (c) and (d) is 0.08 and 0.14, respectively. This is presumably because the yellow component was reduced because the light totally reflected on the exit surface was reflected off the recess and immediately emitted to the outside. That is, it can be seen that by using the optical element according to the embodiment of FIG. 3 having the characteristics shown in FIGS. 5C and 5D, color unevenness called yellow ring centering on the optical axis is suppressed.

(実施例2)
図7に、実施例2にかかる光学素子を示す図である。上述した実施例1と同様な構成要素については同じ符号を用いる。図中の数字は、寸法(mm)である。出射面1bや凹部1gの形状によって、凹部1gと外周面1fとの間の面が底面1d(凹部1gと入射面1aとの間の面)より基板3に対して出射面1b側にシフトする場合があるが、そのような場合でも、凹部1gで反射した光線は更に外周面1fを通過することで、色ムラを有効に抑制できる。又、底面1d(凹部1gと入射面1aとの間の面)を、拡散作用を持つ面としても良い。これにより、出射面1bで全反射して底面1dに入射する光線、基板3から反射して底面1dに入射する光線等に拡散効果を付与することで、色ムラを抑制することができる。
(Example 2)
FIG. 7 is a diagram illustrating an optical element according to the second embodiment. The same code | symbol is used about the component similar to Example 1 mentioned above. The numbers in the figure are dimensions (mm). Due to the shape of the exit surface 1b and the recess 1g, the surface between the recess 1g and the outer peripheral surface 1f is shifted from the bottom surface 1d (the surface between the recess 1g and the entrance surface 1a) toward the exit surface 1b with respect to the substrate 3. In such a case, even in such a case, the light reflected by the recess 1g can further pass through the outer peripheral surface 1f, thereby effectively suppressing color unevenness. Further, the bottom surface 1d (the surface between the recess 1g and the incident surface 1a) may be a surface having a diffusing action. As a result, color unevenness can be suppressed by imparting a diffusion effect to light rays that are totally reflected by the exit surface 1b and incident on the bottom surface 1d, light rays that are reflected from the substrate 3 and incident on the bottom surface 1d, and the like.

実施例2において、入射面1aの内側面1a1は単一の非球面であり、出射面1bは、光軸を含む第1領域1b1,その外側の第2領域1b2、その外側の第3領域1b3の3領域からなる非球面形状である。より具体的には、出射面1bは、光軸OAの周囲の、光軸を中心としてくぼんだ第1領域1b1と、その外側の第2領域1b2と、最も外側の第3領域1b3とからなる。実施例2では、第1領域1b1と第2領域1b2との段差は約4um、第2領域1b2と第3領域1b3との段差は約20umであるが、領域間を連続としても良い。表1に実施例2のレンズデータを示す。   In the second embodiment, the inner surface 1a1 of the incident surface 1a is a single aspheric surface, and the exit surface 1b includes a first region 1b1, an outer second region 1b2, and an outer third region 1b3 including the optical axis. It is an aspherical shape consisting of three regions. More specifically, the emission surface 1b includes a first region 1b1 that is recessed around the optical axis, around the optical axis OA, a second region 1b2 outside the first region, and an outermost third region 1b3. . In Example 2, the step between the first region 1b1 and the second region 1b2 is about 4 μm, and the step between the second region 1b2 and the third region 1b3 is about 20 μm, but the region may be continuous. Table 1 shows lens data of Example 2.

尚、これ以降(表のレンズデータ含む)において、10のべき乗数(例えば、2.5×10-3)を、E(例えば、2.5×E−3)を用いて表す場合がある。LED光源の光出射面の中心部の座標を原点とし、原点を通る、出射面に垂直な線を光軸とした時、光学素子の光学面は、それぞれ数1式に表に示す係数を代入した数式で規定される、光軸の周りに軸対称な非球面に形成されている。 In the following (including lens data in the table), a power of 10 (for example, 2.5 × 10 −3 ) may be expressed using E (for example, 2.5 × E−3). When the coordinates of the center of the light emitting surface of the LED light source are the origin, and the optical axis is a line that passes through the origin and is perpendicular to the emitting surface, the optical surface of the optical element is assigned the coefficient shown in Table 1 for each equation. It is formed into an aspherical surface that is axisymmetric about the optical axis, which is defined by the above formula.

ここで、X(H)は原点から光軸方向の距離、κは円錐係数、Aiは非球面係数、Hは光軸垂直方向の光軸からの距離(半径)、rは曲率半径である。   Here, X (H) is the distance from the origin in the optical axis direction, κ is the conical coefficient, Ai is the aspherical coefficient, H is the distance (radius) from the optical axis in the direction perpendicular to the optical axis, and r is the radius of curvature.

表2A,2Bに、実施例2の入射面と出射面におけるサグ量のデータを示す。表中、SAG(H)は、半径Hにおける光軸方向の座標(単位:mm)である。図8に、縦軸にSAG(H)をとり、横軸に光軸からの距離をとって、実施例2の入射面と出射面のサグ量の値を示す。   Tables 2A and 2B show sag amount data on the entrance surface and the exit surface of Example 2. In the table, SAG (H) is a coordinate in the optical axis direction at a radius H (unit: mm). FIG. 8 shows the sag amount values of the entrance surface and the exit surface of Example 2 with SAG (H) on the vertical axis and the distance from the optical axis on the horizontal axis.

図9は、本発明者がシミュレーションで求めた、図7の光学素子を持つLED照明装置から出射される光の色の特性を示す図であり、図9(a)は実施例2におけるCIE表色系のX軸に関するグラフであり、図9(b)は、実施例2におけるCIE表色系のXYに関するグラフである。図10(a)は、比較例2におけるCIE表色系のX軸に関するグラフであり、図10(b)は、比較例2におけるCIE表色系のXYに関するグラフである。それぞれ、実線が図7(a)に示す座標軸のY方向断面、点線がX方向断面に相当する。尚、比較例2は、実施例2の凹部1gを底面と同じレベルで平面に置換したものであり、それ以外の形状は実施例2と同じである。   FIG. 9 is a diagram showing the color characteristics of light emitted from the LED illumination device having the optical element of FIG. 7 obtained by simulation by the present inventor. FIG. 9A is a CIE table in the second embodiment. 9B is a graph relating to the X axis of the color system, and FIG. 9B is a graph relating to XY of the CIE color system in Example 2. 10A is a graph relating to the X axis of the CIE color system in Comparative Example 2, and FIG. 10B is a graph relating to XY of the CIE color system in Comparative Example 2. The solid line corresponds to the cross section in the Y direction of the coordinate axis shown in FIG. 7A, and the dotted line corresponds to the cross section in the X direction. In Comparative Example 2, the concave portion 1g of Example 2 is replaced with a flat surface at the same level as the bottom surface, and the other shapes are the same as those of Example 2.

図9,10を比較すると明らかであるが、比較例2の場合、光軸付近に小さなピーク波形が生じており、これが色ムラの要因になる。これに対し、実施例2の場合、同ピークが目立たなくなっている。これにより凹部1gを設ける効果が確認された。   As is apparent from a comparison between FIGS. 9 and 10, in the case of Comparative Example 2, a small peak waveform is generated near the optical axis, which causes color unevenness. On the other hand, in the case of Example 2, the same peak is not noticeable. Thereby, the effect which provides the recessed part 1g was confirmed.

尚、図11に示す変形例のように、より熱の対流を促進させるべく、底面1d(入射面1aと凹部1gとの間の面)を、基板3に対して出射面1b側にシフトするようにして、基板3との隙間を広げることができる。かかる場合、底面1dを、拡散作用を持つ面とすることで、LED光源2から直接、入射面1aと凹部1gとの間の面に入射しても色ムラを抑制できる。   11, the bottom surface 1d (the surface between the incident surface 1a and the concave portion 1g) is shifted to the emission surface 1b side with respect to the substrate 3 in order to further promote heat convection. In this way, the gap with the substrate 3 can be widened. In such a case, by setting the bottom surface 1d as a surface having a diffusing action, color unevenness can be suppressed even when the LED light source 2 directly enters the surface between the incident surface 1a and the recess 1g.

本発明は、明細書に記載の実施例に限定されるものではなく、他の実施例・変形例を含むことは、本明細書に記載された実施例や思想から本分野の当業者にとって明らかである。例えば、本発明は液晶ディスプレイのバックライト用だけでなく、看板照明用の照明装置等としても用いることができる。   The present invention is not limited to the embodiments described in the specification, and other embodiments and modifications are apparent to those skilled in the art from the embodiments and ideas described in the present specification. It is. For example, the present invention can be used not only for a backlight of a liquid crystal display but also as an illumination device for signboard illumination.

1 光学素子
1a 入射面
1b 出射面
1c 脚部
1d 底面
1f 外周面
1g 凹部
2 LED
2a 光放出面
2b ヒートシンク
3 回路基板
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Optical element 1a Incident surface 1b Outgoing surface 1c Leg part 1d Bottom surface 1f Outer peripheral surface 1g Recessed part 2 LED
2a Light emitting surface 2b Heat sink 3 Circuit board

Claims (9)

LEDの光放出面側に前記LEDに非接触の状態で配置され、前記LEDから出射された光が入射する光学素子であって、
前記LEDから出射された光が入射する入射面と、前記入射面から入射した光を出射する出射面と、前記入射面の光軸直交方向で外側に配置された底面と、前記底面の縁と繋がる外周面とを有し、
前記底面には、くぼんだ単一の凹部が設けられ、
前記凹部は曲率を持ち連続した面からなり、
前記凹部の頂点は、光軸直交方向からみたとき、前記入射面と底面の交点と、前記外周面の出射面側の縁と、を結んだ線よりも、前記底面側に設けられていることを特徴とする光学素子。
An optical element that is disposed in a non-contact state on the light emitting surface side of the LED, and in which the light emitted from the LED is incident,
An incident surface on which light emitted from the LED is incident; an exit surface from which light incident from the incident surface is emitted; a bottom surface disposed outside in the direction perpendicular to the optical axis of the incident surface; and an edge of the bottom surface An outer peripheral surface to be connected,
The bottom surface is provided with a single concave recess,
The concave portion has a continuous surface with a curvature,
The vertex of the concave portion is provided on the bottom surface side from a line connecting the intersection of the incident surface and the bottom surface and the edge on the exit surface side of the outer peripheral surface when viewed from the direction perpendicular to the optical axis. An optical element characterized by the above.
前記凹部は非球面形状を有することを特徴とする請求項1に記載の光学素子。   The optical element according to claim 1, wherein the concave portion has an aspherical shape. 前記凹部の光軸直交方向の幅は、前記光学素子の半径の10%以上であって50%以下であることを特徴とする請求項1又は2に記載の光学素子。   3. The optical element according to claim 1, wherein a width of the concave portion in a direction perpendicular to the optical axis is not less than 10% and not more than 50% of a radius of the optical element. 前記光学素子の光軸方向断面において、前記凹部の頂点から前記入射面側の凹部の面の長さは、前記凹部の頂点から前記外周面側の凹部の面の長さより短いことを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の光学素子。   In the cross section in the optical axis direction of the optical element, the length of the concave surface on the incident surface side from the apex of the concave portion is shorter than the length of the concave surface on the outer peripheral surface side from the apex of the concave portion. The optical element in any one of Claims 1-3. 前記LEDから出射され前記光学素子の入射面から入射した光のうち、前記凹部の光軸直交方向外向き面で反射する光は、光軸直交方向より前記出射面側に向かうことを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の光学素子。   Of the light emitted from the LED and incident from the incident surface of the optical element, the light reflected by the outward surface in the optical axis orthogonal direction of the recess is directed to the output surface side from the optical axis orthogonal direction. The optical element in any one of Claims 1-4. 前記LEDから出射され前記光学素子の入射面から入射した光のうち、前記凹部の光軸直交方向外向き面で反射する光は、前記光学素子の前記外周面を通過することを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の光学素子。   The light reflected by the outward surface in the direction orthogonal to the optical axis of the concave portion out of the light emitted from the LED and incident from the incident surface of the optical element passes through the outer peripheral surface of the optical element. Item 6. The optical element according to any one of Items 1 to 5. 光軸方向断面において前記外周面の出射面側の縁からなる点をAと、前記外周面の出射面側の縁からなる点から、底面に向かって光軸と平行に伸ばした時に底面又はその延長面と交差する点をBとし、前記点Aと前記点Bを結んだ線分をhとした場合であって、前記凹部の頂点は、光軸直交方向からみたとき、h/2に該当する点と、前記入射面と底面の交点と、を結んだ線よりも前記底面側に設けられていることを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の光学素子。   In the cross section in the optical axis direction, the point formed by the edge on the exit surface side of the outer peripheral surface and the bottom surface when extending from the point formed by the edge on the exit surface side of the outer peripheral surface toward the bottom surface in parallel with the optical axis The point intersecting the extension plane is B, and the line segment connecting the point A and the point B is h, and the apex of the recess corresponds to h / 2 when viewed from the direction perpendicular to the optical axis. The optical element according to claim 1, wherein the optical element is provided on a side closer to the bottom side than a line connecting a point to perform and an intersection of the incident surface and the bottom surface. 前記光学素子は、アクリル又はポリカーボネートから形成されていることを特徴とする請求項1〜7のいずれかに記載の光学素子。   The optical element according to claim 1, wherein the optical element is made of acrylic or polycarbonate. LEDと、前記LEDの光放出面側に該LEDに非接触の状態で配置され、前記LEDから出射された光が入射する光学素子とを有するLED照明装置であって、
前記LEDは、第1の色の光を出射するLEDチップと、前記LEDチップから出射された前記第1の色の光によって前記第1の色とは異なる第2の色を出射する蛍光体を有し、
前記光学素子は、前記LEDから出射された光が入射する入射面と、前記入射面から入射した光を出射する出射面と、前記LEDから出射された光の光軸に対して光軸直交方向で前記LEDの光放出面より前記出射面から遠ざかって配置された底面と、前記底面の縁と繋がる外周面と、を有し、前記底面には、前記LEDの光放出面より前記出射面側にくぼんだ単一の凹部が設けられており、前記凹部は曲率を持ち連続した面からなり、
前記凹部の頂点は、光軸直交方向からみたとき、前記入射面と底面の交点と、前記外周面の出射面側の縁と、を結んだ線よりも、前記底面側に設けられており、
前記蛍光体から出射した光は、前記入射面から入射して前記出射面で反射した後、前記凹部で反射することを特徴とするLED照明装置。
An LED illuminating device comprising an LED and an optical element that is arranged in a non-contact state on the light emitting surface side of the LED and on which light emitted from the LED is incident,
The LED includes an LED chip that emits light of a first color and a phosphor that emits a second color different from the first color by the light of the first color emitted from the LED chip. Have
The optical element includes an incident surface on which light emitted from the LED is incident, an emission surface from which light incident from the incident surface is emitted, and an optical axis orthogonal direction to the optical axis of the light emitted from the LED. A bottom surface disposed away from the light emission surface of the LED and an outer peripheral surface connected to an edge of the bottom surface, the light emission surface side of the LED on the light emission surface side. A single concave recess is provided, the recess comprising a continuous surface with curvature,
The vertex of the concave portion is provided on the bottom surface side from a line connecting the intersection of the incident surface and the bottom surface and the edge on the exit surface side of the outer peripheral surface when viewed from the direction orthogonal to the optical axis,
The light emitted from the phosphor is incident from the incident surface, reflected by the exit surface, and then reflected by the concave portion.
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